微機檢測與控制系統(tǒng)應用實例

微機檢測與控制系統(tǒng)應用實例第1頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1電力機務段車頂鑰匙管理系統(tǒng)設計10.1.1應用背景10.1.2系統(tǒng)總體方案設計10.1.3室外智能節(jié)點設計10.1.4室內(nèi)鑰匙管理柜設計10.1.5中央控制計算機軟件設計第2頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.1應用背景電力機務段檢修人員在段內(nèi)整備.檢修電力機車時，經(jīng)常需要在機車頂部作業(yè)。由于機車頂部接近25kV接觸網(wǎng)，安全距離只有1.5米，在檢修人員登上車頂前，必須先操作隔離開關切斷接觸網(wǎng)高壓，確認接觸網(wǎng)斷電之后才能登上車頂作業(yè)，否則將無法保證人員的生命安全。目前，國內(nèi)車頂鑰匙管理流程中的信息登記.確認.傳達等步驟都采用人工方式。其中機車車號的錄入，機車停放股道的核對，對高壓接觸網(wǎng)的上下電操作，接地桿狀態(tài)的核對等操作由監(jiān)控人員親自完成。人的疏忽或情感因素會增加系統(tǒng)的不安全因素，給生產(chǎn)過程帶來很大的安全隱患。車頂鑰匙管理系統(tǒng)就是通過計算機實現(xiàn)上述流程的控制，在前面步驟沒有完成的情況下無法進行后續(xù)步驟的操作，從而保證檢修人員的生命安全，提高檢修工作的安全系數(shù)。第3頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.2系統(tǒng)總體方案設計車頂鑰匙管理系統(tǒng)包括室外智能監(jiān)控節(jié)點，室內(nèi)鑰匙管理柜和中央控制計算機3個部分，系統(tǒng)結構如圖10-1所示。圖10.1車頂鑰匙管理系統(tǒng)總體結構第4頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.2系統(tǒng)總體方案設計（續(xù)1）系統(tǒng)中1個室外智能監(jiān)控節(jié)點（以下簡稱室外智能節(jié)點）對應1個股道，其功能是采集對應股道的車號.車輛停放位置.備品箱.操作箱.接觸網(wǎng)及接地桿狀態(tài)并通過Zigbee無線網(wǎng)絡將上述狀態(tài)傳送到中央控制計算機，根據(jù)中央控制計算機分配的權限對股道設備進行控制，防止工作人員的誤操作，保證隔離開關的操作按照正確的流程安全地進行。第5頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.2系統(tǒng)總體方案設計（續(xù)2）室內(nèi)鑰匙管理柜的主要功能是讀取各個電子鑰匙箱內(nèi)存放的電子鑰匙類型（車頂鑰匙或機車鑰匙），并通過CAN總線將各個箱體的狀態(tài)發(fā)送給中央控制計算機。同時，電子鑰匙管理柜響應中央控制計算機的控制命令，實現(xiàn)電子鑰匙的半自動存取。中央控制計算機的功能是對室外智能監(jiān)控節(jié)點和室內(nèi)鑰匙管理柜的數(shù)據(jù)進行綜合處理和邏輯判斷，根據(jù)判斷結果發(fā)送對應操作權限給室外智能節(jié)點或室內(nèi)鑰匙柜節(jié)點。同時，中央控制計算機對采集的狀態(tài)進行圖形化顯示，對整個操作流程的關鍵步驟進行日志記錄，提供日志查詢功能。第6頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.3室外智能節(jié)點設計室外智能節(jié)點的主要功能是采集股道信息并監(jiān)控隔離開關的操作流程，采集的信息包括：電力機車車號及停放位置，電子鑰匙申請信息，接觸網(wǎng)狀態(tài)，工具箱狀態(tài)，操作箱狀態(tài)和接地桿狀態(tài)。為防止誤操作，室外智能節(jié)點還要對工具箱鎖.操作箱鎖，接地桿鎖進行控制。室外智能節(jié)點的總體結構如圖10-2所示。

第7頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.3室外智能節(jié)點設計（續(xù)1）圖10.2室外智能節(jié)電的總體結構圖第8頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.通信模塊選擇通訊模塊主要負責和中央控制計算機之間的數(shù)據(jù)交換，將采集的各種狀態(tài)信息發(fā)送給中央控制計算機以供顯示和決策，并將中央控制計算機發(fā)送的控制命令發(fā)送給室外節(jié)點，從而控制各電控鎖的開關動作。系統(tǒng)選用Zigbee無線模塊構建通訊網(wǎng)絡。整個系統(tǒng)采用主從通訊模式，中央控制計算機為主機，室外智能節(jié)點為從機，主機定期輪詢各從機并接收從機發(fā)送的狀態(tài)信息，若需要進行控制，主機則傳送控制命令到從機。第9頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.通訊模塊選擇（續(xù)）Zigbee是一種短距離.低復雜度.低功耗.低數(shù)據(jù)速率.低成本的雙向無線通信網(wǎng)絡技術，是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。Zigbee網(wǎng)絡主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而具有簡單.使用方便.工作可靠.價格低的特點。一個Zigbee網(wǎng)絡可包括多達65000個無線通信模塊，各模塊間可以相互通信。第10頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.隔離開關狀態(tài)檢測模塊設計高壓接觸網(wǎng)的帶電狀態(tài)是車頂鑰匙發(fā)放的依據(jù)，也是確保檢修人員人身安全的關鍵。接觸網(wǎng)電壓很高，直接測量存在困難，由于接觸網(wǎng)上下電操作通過旋轉(zhuǎn)隔離開關操作桿來完成，因此可通過檢測隔離開關操作桿的旋轉(zhuǎn)角度來判斷接觸網(wǎng)的通斷狀態(tài)。第11頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.隔離開關狀態(tài)檢測模塊設計（續(xù)1）隔離開關操作桿上有一個圓盤，每次接觸網(wǎng)下電，圓盤要順時針旋轉(zhuǎn)90度；上電時，圓盤則逆時針回轉(zhuǎn)90度。因此，在圓盤上安裝2個相隔90度的磁鋼，同時以一個磁鋼為基點，相隔180度安裝2個霍爾傳感器，如圖10-3所示。圖10.3霍爾傳感器安裝示意圖第12頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.隔離開關狀態(tài)檢測模塊設計（續(xù)2）假設高壓接觸網(wǎng)斷電時，狀態(tài)如圖10-3所示，霍爾傳感器1輸出低電平，霍爾傳感器2輸出高電平；進行上電操作時，旋轉(zhuǎn)隔離開關操作桿，圓盤逆時針轉(zhuǎn)動90度，則磁鋼1離開霍爾傳感器1檢測范圍，霍爾傳感器1輸出高電平，霍爾傳感器2檢測到磁鋼2而輸出低電平。根據(jù)2個霍爾傳感器的輸出變化可以判斷隔離開關操作桿的位置，從而判斷接觸網(wǎng)的通斷狀態(tài)。圖10.3霍爾傳感器安裝示意圖第13頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3.電力機車信息采集模塊電力機車信息采集模塊的作用是采集指定股道上停放機車的車號和位置。（1）車號信息采集模塊（2）機車位置采集模塊第14頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）車號信息采集模塊車號是確定車輛唯一性的關鍵信息。本系統(tǒng)采用射頻識別技術來取代傳統(tǒng)的人工抄送車號的方式，提高了工作效率和可靠性。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。第15頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）車號信息采集模塊（續(xù)1）系統(tǒng)中采用的是上海秀派電子科技有限公司的射頻識別器SP-D200（如圖10-4所示），SP-D200采用“SuperRFID”技術，其技術性能如下：遠距離，有效識別距離從0米到80米可調(diào)。極高的防沖突性，可同時識別200個以上不同的射頻識別卡。高速度，檢測移動時速可達200公里以上。智能化，RFID與收發(fā)器之間可實現(xiàn)雙向高速數(shù)據(jù)交換。高可靠，適應工礦工作環(huán)境（-40℃-85℃），防水，防沖擊。超低功耗，采用全球開放的ISM微波頻段，無須申請和付費。高抗干擾性，對現(xiàn)場各種干擾源無特殊要求。圖10.4SP-D200射頻識別器第16頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）車號信息采集模塊（續(xù)2）系統(tǒng)在每個股道安裝一臺SP-D200射頻識別器，每臺機車上安裝射頻卡（電子標簽），當列車達到射頻識別器的識別范圍內(nèi)以后，其就能檢測到電子標簽上5個字節(jié)的車號信息。識別器提供485通訊接口，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，采用兩路光耦隔離器件6N137隔離TXD、RXD數(shù)據(jù)線后接入室外智能監(jiān)控節(jié)點CPU。CPU的P1.6口作為485發(fā)送接收狀態(tài)的控制線，采用TLP521進行光耦隔離。硬件電路圖如圖10-5所示。第17頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10.5485隔離接口電路第18頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）機車位置采集模塊機車位置是確定相應股道隔離開關操作權限的重要信息，系統(tǒng)采用光電開關來檢測機車位置。光電開關分為對射式、鏡面反射式和漫反射式。其中漫反射式的通用性好，對被測物表面材質(zhì)要求低。為此，系統(tǒng)采用了OPTEX公司的漫反射式VD－250N紅外光電開關。第19頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）機車位置采集模塊（續(xù)）具體技術參數(shù)如下：探測范圍：40mm-2500mm供電電壓：直流10-30V，可承受2700V交流浪涌；消耗功率：5mA反應時間：5ms系統(tǒng)光源：紅外線輸入測試：是環(huán)境溫度：-25～+55℃環(huán)境光照：35～85%RH傳感器通過雙絞線屏蔽電纜與智能節(jié)點連接，將股道車輛的停放信息以開關量的形式通過TLP521進行光耦隔離后輸入室外智能節(jié)點的微處理器。圖10.6VD-250N紅外光電開關第20頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月4.智能控制模塊的設計智能控制模塊是檢修人員與系統(tǒng)設備的一個交互接口。檢修人員將機車鑰匙（電子鑰匙）插入身份識別接口，申請進行隔離開關的操作。申請獲得系統(tǒng)通過后，系統(tǒng)會根據(jù)目前的股道信息狀態(tài)，打開相應的電控鎖，使檢修人員能夠按照規(guī)范的流程進行隔離開關操作。智能控制模塊分為身份識別模塊和電控鎖控制模塊兩個部分，以下分別進行介紹。第21頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）身份識別模塊設計身份識別模塊由電子鑰匙和識別接口組成，替代原有機械鎖的作用。檢修人員要進行隔離開關的操作時，將機車鑰匙（電子鑰匙）插入識別接口，系統(tǒng)對目前機車和股道的狀態(tài)進行自動邏輯判斷。若股道狀態(tài)符合操作權限要求，則響應檢修人員的操作請求；否則，拒絕檢修人員的操作要求。電子鑰匙采用DALLAS公司帶VCC輸入引腳的硅序列碼芯片DS2411作為機車鑰匙和車頂鑰匙身份的唯一匹配標識。第22頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）身份識別模塊設計（續(xù)）DS2411是可由外部供電的單總線電子注冊碼芯片，它能用最少的電子接口提供絕對唯一的電子身份標識。DS2411的注冊碼是由工廠激光刻制的64位ROM碼，數(shù)據(jù)按照DallasSemiconductor的單總線協(xié)議傳輸。DS2411采用獨立供電模式，防止竊電模式可能對數(shù)據(jù)傳輸造成的影響。CPU的2路I/O口線使用6N137進行高速光電隔離連接單總線數(shù)據(jù)線，防止信號干擾，其電路連接圖如圖10-7所示。電子鑰匙沒插入時識別模塊端口3輸出高電平。由于單總線電子鑰匙采用4線連接的方式，端口3與地短接。一旦電子鑰匙插入識別接口，識別接口的端口3將被強行拉至低電平，這作為電子鑰匙是否插入識別接口的依據(jù)。第23頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10.7單總線隔離接口電路連接圖第24頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）電控鎖控制模塊設計為保證安全，工具箱、隔離箱和接地桿都安裝電控鎖。電控鎖模塊和身份識別模塊共同構成了智能控制模塊，可經(jīng)Zigbee無線網(wǎng)絡進行遠程控制。為保證系統(tǒng)安全，系統(tǒng)采用的OC3101L電控鎖為斷電上鎖，通電開鎖，系統(tǒng)斷電時，設備箱和隔離箱都處于鎖閉狀態(tài)，系統(tǒng)處于安全狀態(tài)下。電控鎖還帶有狀態(tài)輸出，從而進行鎖閉狀態(tài)的反饋檢測。單片機的I/O經(jīng)MC1413驅(qū)動芯片來啟動電控鎖的打開和鎖閉。單片機送高電平時，鎖上電開鎖，LED指示燈滅；單片機送低電平時，打開電控鎖，LED指示燈亮。單個電控鎖電路接口如圖10-8所示。第25頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10.8單個電控鎖電路接口圖第26頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.4室內(nèi)鑰匙管理柜設計鑰匙管理柜分為CAN總線橋接器和鑰匙箱兩個部分。每個鑰匙箱內(nèi)存放一個機車的車頂鑰匙和電子鑰匙，并設計為一個獨立的CAN節(jié)點，整個系統(tǒng)可以包括多達200個節(jié)點，鑰匙管理柜和中央控制計算機共同構成室內(nèi)CAN總線網(wǎng)絡，實現(xiàn)對車頂鑰匙的自動化安全管理，其網(wǎng)絡如圖10-9所示。第27頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10.9室內(nèi)鑰匙管理柜系統(tǒng)結構圖第28頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1、鑰匙箱CAN節(jié)點設計鑰匙柜的功能是負責監(jiān)控車頂鑰匙和機車鑰匙。車頂鑰匙和機車鑰匙都有全球唯一的64位碼光刻序列號（DS2411），插入鑰匙柜對應的鑰匙箱內(nèi)。由箱體里面的單片機讀取目前的鑰匙狀態(tài)，并通過CAN總線把數(shù)據(jù)發(fā)回給中央控制計算機。每個鑰匙箱必須有1個電子鑰匙存放其中（車頂鑰匙或者機車鑰匙），否則鑰匙箱檢測到箱體為空狀態(tài)，并發(fā)送報警信息給中央計算機，中央計算機發(fā)出命令鎖閉系統(tǒng)，并作為工作事故記入系統(tǒng)日志。鑰匙箱硬件電路采用Atmel公司的AT89C52單片機作為微處理器，每個鑰匙箱按照功能劃分為CAN總線通訊模塊、鑰匙識別接口模塊、電控鎖控制模塊。第29頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1、鑰匙箱CAN節(jié)點設計(續(xù)1)CAN總線通訊模塊實現(xiàn)鑰匙箱與對應CAN總線橋接器的數(shù)據(jù)通訊。CAN通訊控制器采用SJA1000，CAN總線驅(qū)動器采用82C250。SJA1000與82C250之間通過高速光耦6N137進行光電隔離，以降低干擾，保證通訊的正確性。電子鑰匙識別接口模塊的主要功能是識別目前鑰匙箱內(nèi)電子鑰匙的狀態(tài)，從而對車頂鑰匙或機車鑰匙進行有效、安全的監(jiān)控。鑰匙識別接口模塊采用單總線電子注冊碼芯片，設計方案類似于室外控制模塊中身份識別的設計。第30頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1、鑰匙箱CAN節(jié)點設計（續(xù)2）電控鎖控制模塊主要用于自動打開或鎖閉鑰匙箱，實現(xiàn)電子鑰匙的連鎖管理。為了匹配鑰匙箱的尺寸，選用的電控鎖尺寸較小。電控鎖常態(tài)為鎖閉狀態(tài)，通電則鎖舌吸合。由于電控鎖不帶門鎖狀態(tài)反饋信息，單片機無法判斷鑰匙門的開關狀態(tài)，所以在鑰匙箱門板上安裝一個有效檢測距離為1cm的漫發(fā)射式的光電開關來檢測門的狀態(tài)。鑰匙箱打開，光電開關沒有障礙物遮擋，輸出高電平；鑰匙箱關閉，光電開關1cm內(nèi)有障礙物遮擋，輸出為低電平。電控鎖的控制由單片機的I/O口經(jīng)TLP521光電隔離和MC1413反向驅(qū)動放大由繼電器輸出進行控制。繼電器的兩端要反向并接一個續(xù)流二極管，防止電控鎖動作時造成的反向電動勢干擾電路的正常運行。第31頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.中央控制計算機CAN接口設計

中央控制計算機是整個系統(tǒng)的管理控制中心。其功能包括接收、顯示室內(nèi)鑰匙柜和室外智能接點采集的狀態(tài)信息；并向相應的節(jié)點發(fā)送控制命令；記錄室內(nèi)外操作人員動作日志等。為了和鑰匙柜的CAN節(jié)點交換狀態(tài)信息和控制命令，中央控制計算機采用CAN總線適配器實現(xiàn)CAN總線接口設計。第32頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.中央控制計算機CAN接口設計（續(xù)）KPCI-8110是適用于各種計算機(PCI總線)的長距離，高傳輸速率，多站點的CAN總線通訊板，采用光電隔離技術，使用兩根線每路可連接110個工作站。其主要技術指標如下：通訊協(xié)議：2.0B(PeliCAN）兼容CAN2.0A，符合ISO/ISO11898規(guī)范。通訊距離：最長10Km。傳輸速率：最高1Mbps。電源電壓：5V±10%(PCI總線提供)。隔離電壓：1000V。CAN接口：孔型DB9，符合CIA標準。圖10.10CAN總線適配器KPCI-8110第33頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.5中央控制計算機軟件設計中央控制計算機軟件是車頂鑰匙管理系統(tǒng)的核心部分，室內(nèi)室外下位機的數(shù)據(jù)全部匯總到中央控制計算機，由上位機軟件進行數(shù)據(jù)的解調(diào)并實現(xiàn)圖形化顯示；同時，下位機的操作申請也由中央計控制算機進行仲裁，決定是否響應操作人員的操作申請；除了上述功能，上位機軟件還實現(xiàn)了重要數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)庫記錄，并以水晶報表的形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。上位機軟件采用面向?qū)ο蠹夹g的VisualC++進行軟件開發(fā)。圖10-11為根據(jù)活動圖編寫的上位機軟件界面，圖10-12是系統(tǒng)自動生成的水晶報表。第34頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10.11上位機軟件用戶界面第35頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10.12系統(tǒng)自動生成的水晶報表第36頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2鐵路線路限界檢測系統(tǒng)設計10.2.1應用背景10.2.2系統(tǒng)總體方案設計10.2.3基于FPGA的限界檢測系統(tǒng)PCI同步采集卡設計10.2.4現(xiàn)場實驗第37頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.1應用背景由于地質(zhì)變形、自然災害如大雨山洪等造成的滑坡、運行車輛的動力沖擊、落物、以及設施的非正常突出和缺失等，軌道、隧道、橋梁等基礎設施經(jīng)常發(fā)生變形、侵限現(xiàn)象，嚴重威脅到軌道交通的暢通和安全。為滿足軌道交通基礎設施全斷面測量的需求，車載式的高速動態(tài)測量技術受到了廣泛的重視。第38頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.2系統(tǒng)總體方案設計本課題即采用了這種非接觸式測量技術，研究線路全斷面非接觸式測量技術，主要內(nèi)容包括：（1）全斷面檢測技術。研究基于光傳播時間原理的旋轉(zhuǎn)激光掃描測距儀應用于線路全斷面測量的基本原理及方法，建立動態(tài)測量的模型和參數(shù)計算方法，旋轉(zhuǎn)激光掃描測距儀的選取及其車載式加裝方案和系統(tǒng)標定方法。（2）數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)。研制車載式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬軟件，實現(xiàn)包括激光測距傳感器、陀螺儀、加速度計、攝像機等的實時采集、數(shù)據(jù)處理和綜合分析管理。第39頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.2系統(tǒng)總體方案設計（續(xù)1）車載全斷面測量系統(tǒng)由斷面測量設備、動態(tài)基準測量設備、測速定位設備和數(shù)據(jù)采集設備4部分組成，下面分別介紹。系統(tǒng)總體結構如圖10-13所示。

圖10.13全斷面車載動態(tài)測量系統(tǒng)示意圖第40頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.斷面測量設備本系統(tǒng)采用德國SICK公司的脈沖式激光測距儀LMS200作為斷面測量設備．LMS200具有體積小、安裝方便，抗外界光線干擾，對人眼無害，可直接加裝于正常運營的車輛或?qū)Ｓ脵z測車輛上等優(yōu)點，可以實現(xiàn)180°范圍內(nèi)的掃描，重復測量誤差小于±5mm，采樣點間距最小為1°。在掃描頻率為75Hz時，每秒采樣點數(shù)為13575。為獲得線路全斷面尺寸，在車體四周安裝4臺LMS200，通過同步裝置可實現(xiàn)同步掃描上下左右4個方向上的線路斷面。LMS200量測得到的數(shù)據(jù)通過RS422接口以500kbps的速率向外實時傳輸。第41頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.動態(tài)基準測量設備經(jīng)典的運動物體姿態(tài)測量方式是使用慣性基準測量，如利用陀螺等，測量運動物體繞三維坐標軸旋轉(zhuǎn)的角度變化率，以及利用加速度傳感器測量物體直線運動加速度，進而通過積分間接算出6個自由度的絕對變化量。由于陀螺儀存在零點漂移等系統(tǒng)誤差，因此，在積分過程中，系統(tǒng)誤差被累積在測量結果中，造成測量誤差隨著時間的推移而逐漸變大。這種慣性導航的方式不適合長距離的測量任務.第42頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.動態(tài)基準測量設備（續(xù)）本系統(tǒng)的動態(tài)基準測量設備由捷聯(lián)式慣性基準系統(tǒng)和地面輔助的車體瞬時姿態(tài)測量系統(tǒng)組成。陀螺儀主要用于測量車體動態(tài)中的角度變化，由此獲得車體的角度偏差；三軸加速度計用于測量車體相對于慣性基準的加速度，在進行角度修正后獲得車體振動的線位移；基于地面的車體瞬時姿態(tài)測量設備測量車體通過特定地面基準點(反射鏡)時的6自由度姿態(tài)，獲取系統(tǒng)初始狀態(tài)、定點清除慣性基準系統(tǒng)的累計誤差。第43頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3.測速定位設備車輛的動態(tài)定位主要依靠輪軸轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)速傳感器安裝在車輛無制動裝置的從動輪對上，每圈可以輸出1000~2000個脈沖。根據(jù)采集到的脈沖數(shù)量和車輪直徑可以計算出車輛走行的公里數(shù)。實際應用中可采用頻率周期法、防空轉(zhuǎn)打滑算法、多傳感器融合算法等多種算法來提高定位的精度。同時，測速定位系統(tǒng)還能夠根據(jù)車體瞬時姿態(tài)測量系統(tǒng)的輸出，計算系統(tǒng)初始位置，定點清除動態(tài)測量過程中的累計誤差。第44頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月4.數(shù)據(jù)采集處理設備工控PC機通過數(shù)據(jù)接口卡，將所有傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)進行基于時間和公里標的對應記錄，融合斷面、動態(tài)基準和定位數(shù)據(jù)獲取精確的線路三維全斷面尺寸，通過統(tǒng)計，分析其發(fā)展趨勢，實現(xiàn)對線路全斷面的安全狀態(tài)監(jiān)測。第45頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.3基于FPGA的限界檢測系統(tǒng)PCI同步采集卡設計在上述車載線路全斷面檢測系統(tǒng)中，需要采集的信息包括：激光測距傳感器輸出的二維距離信息、速度傳感器測量的速度和位置信息、陀螺儀和位移傳感器測量的車體姿態(tài)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在采集時必須精確同步，否則將影響限界尺寸測量結果的準確性。目前，常用的數(shù)據(jù)采集方法是采用數(shù)據(jù)采集卡，如采用高速串口卡采集激光測距傳感器和陀螺儀的數(shù)據(jù)，A/D采集卡采集位移計的數(shù)據(jù)，高速IO卡采集速度傳感器的數(shù)據(jù)。第46頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.3基于FPGA的限界檢測系統(tǒng)PCI同步采集卡設計（續(xù)）這種模式下，各個采集卡采集的數(shù)據(jù)采用PC機時鐘進行同步，由于各采集卡內(nèi)部有緩存和延時，難以實現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)同步。為實現(xiàn)各個數(shù)據(jù)信息之間的高精度采集同步，設計了基于FPGA的高速PCI數(shù)據(jù)采集同步卡，該采集卡將高速串口、AD采集、高速IO信號采集等功能集成在一片F(xiàn)PGA中，同時在FPGA內(nèi)部產(chǎn)生一個1KHz的同步脈沖，用4Byte寄存器存儲同步脈沖的實時計數(shù)值，在每個數(shù)據(jù)信息包采集完成時，自動在數(shù)據(jù)包的尾部附加4Byte的同步脈沖計數(shù)值，有效地實現(xiàn)了各傳感器信息的同步采集，同步精度達到1ms。第47頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.硬件設計PCI數(shù)據(jù)采集同步卡硬件電路主要包括信號調(diào)理及數(shù)據(jù)采集電路、FPGA芯片選擇、PCI接口芯片等部分。硬件電路總體結構如圖10-14所示。圖10.14PCI數(shù)據(jù)采集同步卡硬件電路總體結構圖第48頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）信號調(diào)理及數(shù)據(jù)采集根據(jù)傳感器輸出信號的類型，信號調(diào)理部分可分為以下三類：①激光測距傳感器和陀螺儀激光測距傳感器和陀螺儀通過485串行接口輸出測量結果，激光測距傳感器的通訊波特率為500kbps，陀螺儀波特率為115200bps。系統(tǒng)首先采用MAX490作為電平轉(zhuǎn)換芯片，將485信號轉(zhuǎn)換成TTL電平信號，然后通過光耦TLP113將TTL信號隔離后再送入FPGA的IO口。第49頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）信號調(diào)理及數(shù)據(jù)采集（續(xù)）②位移計位移計輸出的是4~20mA的模擬信號，經(jīng)120Ω精密電阻，轉(zhuǎn)成0.48V～2.4V電壓信號，再經(jīng)過電容濾波及限壓保護電路，輸入給AD7888，AD7888的SPI接口經(jīng)光耦隔離后，與FPGA的IO口連接。FPGA根據(jù)AD7888的時序，編寫IP核，可以讀出12位的AD測量結果。③速度傳感器速度傳感器輸出的兩路脈沖信號，相位相差90度，將兩路脈沖信號經(jīng)光耦隔離后直接接入FPGA的IO口。取其中一路脈沖信號用于脈沖計數(shù)和里程計算，根據(jù)兩路脈沖信號相位差的正負，來判斷車輛車輪的正反轉(zhuǎn)。第50頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）FPGA芯片選擇FPGA芯片是系統(tǒng)的核心模塊，系統(tǒng)選用了ALTERA公司的Cyclone系列FPGA――EP1C12。該FPGA有12060個邏輯單元，52個M4KRAM，總RAM位數(shù)239616Bit，2個鎖相環(huán)，249個用戶可用IO管腳。設計時，只需將FPGA的I/O口和外部對應的接口相連，然后根據(jù)系統(tǒng)需求設計內(nèi)部邏輯程序即可，在設計過程中，如果需求變動，程序改動方便靈活，徹底改變了以前設計過程中，因硬件需求改動，反復改版造成的時間、經(jīng)濟上的浪費，大大提高了設計效率。系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)信息采集、同步脈沖產(chǎn)生、FIFO、PCI接口時序等功能都是在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)。

第51頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）PCI接口芯片PCI9052是美國PLX公司生產(chǎn)的PCI總線通用接口芯片，采用專用的接口芯片，可以不必進行復雜的PCI協(xié)議的開發(fā)，只需要開發(fā)系統(tǒng)的硬件和驅(qū)動程序，大大縮短了開發(fā)周期。PCI9052符合PCI2．1規(guī)范，突發(fā)傳輸速率達到l32MB/s，有相對獨立的PCI9052局部總線和PCI總線時鐘，方便了高低速設備的兼容。PCI9052包含4個局部設備片選信號和5個局部地址空間，片選和地址空間均可通過EEPROM或者主機對其編程設置，局部總線支持復用和8、16或32位的非復用模式。第52頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）硬件設計注意事項系統(tǒng)PCI接口采用8位總線模式，需將LBE1、LBE0作為低位地址線接入FPGA的IO口。PCIBUS上PRSNT1、PRSNT2兩個管腳至少有一個要接地，否則PCI卡插入PC機后，系統(tǒng)無法識別。在選擇配置芯片時，PLX公司推薦了93CS46，可連續(xù)讀寫，93C46不可以。PCI9052的工作電壓為5V，F(xiàn)PGA的IO電壓為3.3V，在FPGA與PCI9052之間要增加電平轉(zhuǎn)換接口芯片，如74HC245，能夠?qū)PGA的IO口起到保護作用。PCB布線時，要注意PCIBUS信號線的長度要求：64位卡的32位信號具備的最大連線長度是1500mil，64位擴展信號的附加信號的連線長度為2000mil，PCI的CLK長度為2500mil±100mil，如果不夠長度可以繞蛇行線。第53頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.PCI卡配置PCI接口芯片PCI9052提供了2種寄存器：PCI配置寄存器，本地端配置寄存器。PCI配置寄存器提供了配置PCI的一些信息。其中VenderID，DeviceID，RevisionID，HeaderType，ClassCode用于PCI設備的識別。6個基地址寄存器，用來訪問配置寄存器和本地端所接的芯片，將本地的芯片映射到系統(tǒng)的內(nèi)存或I/O口，這樣應用程序操作這一段內(nèi)存（或I/O）實際上就是對本地的芯片操作。第54頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.PCI卡配置（續(xù)）本地端配置寄存器提供了本地端的一些信息，PCI9052工作時需要一個配置芯片EEPROM，以便在PCI卡上電的時候配置PCI9052，主要配置PCI卡的VendorID和DeviceID，這是系統(tǒng)用來標識PCI卡的。另外，還需要了其他寄存器，主要起到了對PCI9052初始化的作用。這里重點介紹EEPROM的配置方法。需要進行配置的EEPROM寄存器如表10-1所示。第55頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月EEPROM寄存器內(nèi)容說明0hPCI02h121CDeviceID2hPCI00h10B5VendorID4hPCI0Ah0680ClassCode6hPCI08h0001ClassCode(revisionisnotloadable)8hPCI2Eh9050SubsystemIDAhPCI2Ch10B5SubsystemVendorIDChPCI3Eh0000(MaximumLatencyandMinimumGrantarenotloadable)EhPCI3Ch0100InterruptPin(InterruptLineRoutingisnotloadable)10hLOCAL02hFFFFMSWofRangeforPCI-to-LocalAddressSpace0(1MB)12hLOCAL00hFFE1LSWofRangeforPCI-to-LocalAddressSpace0(1MB)38hLOCAL2AhD011MSWofBusRegionDescriptorsforLocalAddressSpace03AhLOCAL28h8940LSWofBusRegionDescriptorsforLocalAddressSpace04ChLOCAL3Eh0000MSWofChipSelect(CS)0BaseandRange4EhLOCAL3Ch0011LSWofChipSelect(CS)0BaseandRange第56頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月EEPROM的配置方法（1）PCI配置寄存器00H～0FH用于配置PCI配置寄存器，用戶只用根據(jù)自己的設計更改00H的內(nèi)容，其他采用默認設置就可以了。在向EEPROM中寫入配置數(shù)據(jù)時，應注意低位在前，高位在后，如2H,3H中寫入10B5時，2H=0xB5，3H=0x10。（2）本地地址空間EEPROM中10H、12H用于配置本地地址空間范圍，設置為：FFFFFFE1。配置結果：本地地址空間0映射到PCI的IO空間。本地采用32位PCI地址模式。本地有效地址范圍：00H～1FH。第57頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月EEPROM的配置方法（續(xù)）（3）本地地址總線描述 EEPROM中38H、3AH用于配置本地地址總線。設置為：D0118940，采用8bitPCI總線模式。（4）本地地址片選配置 EEPROM中4CH，4EH用于配置本地地址片選信號的基地址和范圍，設置為：00000011，使能CS0片選信號，并設置本地有效地址信號為：A4～A0。第58頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設計FPGA程序設計主要包括：串口IP核、AD采集IP核、PCI接口時序、速度傳感器采集、毫秒計數(shù)、邊沿檢測電路等幾個部分。（1）串口IP核設計串口IP核主要實現(xiàn)對激光測距傳感器數(shù)據(jù)、陀螺儀數(shù)據(jù)的接收、打包、同步，并通過FIFO完成與PCI接口的數(shù)據(jù)交換。下面以激光測距傳感器為例說明串口IP核的設計。第59頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設計（續(xù)1）串口IP核的總體結構如圖10-15所示。圖10.15串口IP核原理圖第60頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設計（續(xù)2）（2）A/D采集A/D采用的是美國AnalogDevices公司的AD7888，其SCLK最高頻率2MHz，采集頻率最大125KBps。系統(tǒng)使用AD采集位移計的變化，8個通道全部采集一次的采集頻率定為125Hz，則單通道采集頻率為1KHz，需提供給SCLK16KHz的時鐘。FPGA的主時鐘經(jīng)分頻后輸出16KHz的脈沖，輸入至SCLK，F(xiàn)PGA的3個IO口分別和AD7888的CS、DIN、DOUT連接，按照AD7888的時序要求，分別讀出8個通道的AD轉(zhuǎn)換結果，送至ADFIFO的輸入端，ADFIFO的輸出端和PCI9052的LOCAL總線連接，PC機檢測到AD有數(shù)據(jù)時，可以從ADFIFO端讀出轉(zhuǎn)換結果。每一組AD結果都附加了當前同步脈沖計數(shù)值，用于和其他采集數(shù)據(jù)進行同步。第61頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設計（續(xù)3）（3）PCI讀時序 需要從PCI總線讀出的數(shù)據(jù)包括：激光測距傳感器的測量結果、AD測量結果、陀螺儀測量值、速度傳感器脈沖計數(shù)值。這些數(shù)據(jù)之間通過地址選通區(qū)分。讀時序設計時，需嚴格按照PCI規(guī)范中的要求，否則可能出現(xiàn)讀一組數(shù)據(jù)時，造成其他組數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。第62頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月CLK 同步卡系統(tǒng)時鐘，40MHzRD_PCI PCI9052本地讀信號ADRPCI9052本地讀的地址信號RD_OUT FPGA程序中間變量RD_FIFO FIFO的讀信號，在RD_FIFO=0時，每個CLK上升沿讀出1個Byte圖10.16PCI讀時序的兩種模式第63頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設計（續(xù)4）（3）PCI讀時序（續(xù)）PCI讀取激光測距傳感器的測量結果時，RD_PCI輸出0，ADR輸出0。模式1先判斷RD_PCI和ADR同時為0時輸出中間變量RD_OUT=0，再對RD_OUT進行下降沿檢測得到讀FIFO信號。模式2先對RD_PCI進行下降沿檢測得到中間變量RD_OUT，再判斷當RD_OUT和ADR同時為0時，輸出讀FIFO信號。第64頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設計（續(xù)5）模式1存在一個問題，如圖10-17虛框所示。ADR在跳變時，狀態(tài)是不穩(wěn)定的，而此時RD_PCI還是低電平，此時ADR如果出現(xiàn)等于其他數(shù)據(jù)的有效地址時，就會產(chǎn)生錯誤的讀其他數(shù)據(jù)FIFO的信號，造成其他數(shù)據(jù)地址FIFO中的數(shù)據(jù)被讀出而產(chǎn)生丟數(shù)現(xiàn)象。圖10.17PCI讀時序中不穩(wěn)定狀態(tài)第65頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設計（續(xù)5）（4）邊沿檢測電路系統(tǒng)設計時多處用到邊沿檢測電路，下面以上升沿檢測電路為例，說明如何使用VHDL語言實現(xiàn)可靠的邊沿檢測。上升沿檢測電路的轉(zhuǎn)換時序如圖10-18所示。圖10.18上升沿檢測電路時轉(zhuǎn)換時序第66頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3.FPGA程序設計（續(xù)5）用VHDL語言實現(xiàn)上升沿檢測，最簡單的方法是：

IFRISING_EDGE(CLK)thenRD_1<=RD;ENDIF;RD_N<=((notRD)andRD_1);但這種方法實現(xiàn)的檢測結果，不穩(wěn)定，會出現(xiàn)誤檢現(xiàn)象。下面這種方法，多使用了一組寄存器，但是大大提高了檢測的可靠性。

IFRISING_EDGE(CLK)thenRD_1<=RD;RD_2<=RD_1;ENDIF;RD_N<=((notRD_1)andRD_2);第67頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月4.WDM設備驅(qū)動程序設計PCI總線規(guī)范是為提高微機總線的數(shù)據(jù)傳輸速度而制定的一種局部總線標準，在設計自行開發(fā)的基于PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸設備時，需要開發(fā)相應的設備驅(qū)動程序。設備驅(qū)動程序是一種可以使計算機和設備通信的特殊程序，PC機操作程序只有通過這個接口，才能讀取FPGA采集完成后放入FIFO中的數(shù)據(jù)信息。第68頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月4.WDM設備驅(qū)動程序設計（續(xù)）通常開發(fā)PCI設備驅(qū)動程序有多種模式，在WindowsXP環(huán)境下，主要采用WDM模式。本系統(tǒng)驅(qū)動程序是在WindowsXP操作系統(tǒng)下，使用DriverStudio軟件編寫的。該驅(qū)動程序符合WDM模式的PCI數(shù)據(jù)傳輸卡驅(qū)動程序。驅(qū)動程序主要包括初始化例程、清理例程、派遣例程、數(shù)據(jù)傳輸例程、中斷服務例程和DPC例程等。Driverstudio為驅(qū)動程序設計提供了DriverWizard向?qū)?，可以很方便地建立一個完整的驅(qū)動程序框架，驅(qū)動程序開發(fā)的主要過程見教材。第69頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.4現(xiàn)場實驗在2006～2008年，車載全斷面檢測系統(tǒng)先后參加了北京地鐵5號線、10號線、機場線的新線驗收工作，承擔了其中的線路限界三維尺寸的動態(tài)測量任務。對比地鐵限界傳統(tǒng)的接觸式測量方式，本技術顯示出測量精度高、安裝方便、自動化程度高等特點。測量數(shù)據(jù)不但可以檢測超限位置，而且可以給出準確的超限量，已經(jīng)成為北京地鐵新線整改的重要依據(jù)。在2008年2月~6月間，課題組先后進行了北京-承德的既有線和京津城際高速鐵路的線路限界檢查試驗，測量速度最高達到145公里/小時。到目前為止，該系統(tǒng)已經(jīng)在鐵路現(xiàn)場累計試驗超過1000公里。第70頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月在北京地鐵5號線冷滑試驗和復測試驗中，限界測量系統(tǒng)采用了左右2臺180度掃描的LMS200，如圖10-20所示，并借助前述標定系統(tǒng)將兩臺LMS200拼接、變換到軌道坐標系下，獲得了理想的測量結果。10.2.4現(xiàn)場實驗（續(xù)1）圖10.20北京地鐵5號線安裝方案第71頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.4現(xiàn)場實驗（續(xù)2）圖10-21為北京地鐵5號線北苑路北站站內(nèi)某位置的斷面尺寸。圖中內(nèi)側光滑閉合曲線為標準的隧道限界，左側曲線為左側LMS200的測量結果，右側曲線為右側LMS200的測量結果。結果顯示此位置的站臺屏蔽門超限約15mm，超限點坐標在(1505，913)-(1514,761)之間，與事后的人工復測完全吻合。圖10.21北苑路北站內(nèi)某位置的斷面尺寸圖第72頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.3京滬高鐵施工侵限報警裝置設計10.3.1應用背景10.3.2系統(tǒng)總體方案設計10.3.3異物侵限檢測系統(tǒng)詳細設計第73頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.3.1應用背景隨著高速鐵路建設力度的日益加大和工程進度的不斷加快，在新建鐵路跨越既有線施工過程中，從樁基施工至橋面施工常常有大型機械、機具鄰近鐵路建筑限界施工作業(yè)，經(jīng)常發(fā)生機械、機具、人員及施工材料侵入既有線限界的情況，對既有線的安全運營造成極大的安全隱患。異物侵限檢測報警技術能及時對施工過程中的侵界情況發(fā)出警報，提醒施工過程產(chǎn)生的安全隱患，以便于施工人員及時糾正，確保既有線行車和施工機械、人員的安全。在京滬高速鐵路建設施工過程中，存在著幾十處跨越或并行既有京滬線的施工地段。本課題以此為背景，研發(fā)基于激光掃描的非接觸式高密度異物侵限檢測裝置，實現(xiàn)京滬高速鐵路跨越或并行既有線施工現(xiàn)場的異物侵限檢測與報警。

第74頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.3.2系統(tǒng)總體方案設計該系統(tǒng)采用激光掃描的測量手段，具有測量精度高、速度快和不受光照影響的優(yōu)點。本課題選用LMS200二維激光測距儀進行異物檢測，它是基于光傳播時間的原理進行測距的。該測距儀可在180度范圍內(nèi)以0.5度的角度間隔測量80米內(nèi)物體的位置，測量精度5mm。第75頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.3.2系統(tǒng)總體方案設計（續(xù)1）利用激光掃描進行異物檢測是通過對比異物侵入前后激光掃描平面內(nèi)測得距離值的變化實現(xiàn)的。系統(tǒng)工作之初，激光器需要采集一幅沒有異物的環(huán)境作為背景信息存儲起來，系統(tǒng)正常工作時，將實時采集的距離值和背景信息進行比對，若在某些角度上存在較大的差異，則說明此處有新物體。圖10.22LMS200測距示意圖第76頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.3.2系統(tǒng)總體方案設計（續(xù)2）既有鐵路施工的高鐵激光器掃描平面激光器掃描平面施工現(xiàn)場(a)跨越情形(b)并行情形圖10.23跨越施工激光檢測方案第77頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.3.2系統(tǒng)總體方案設計（續(xù)3）使用如右圖所示的兩級監(jiān)控網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)本地和遠程兩級報警。圖10.24異物侵界報警系統(tǒng)結構圖第78頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月10.3.3異物侵限檢測系統(tǒng)詳細設計本節(jié)將詳細介紹激光掃描裝置、中繼器及監(jiān)控中心服務器軟件的設計。1、激光掃描檢測裝置2、中繼器3、遠程服務器監(jiān)控軟件設計第79頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1、激光掃描檢測裝置激光掃描檢測裝置是現(xiàn)場監(jiān)測的核心，由德國SICK公司的LMS200激光器、Zigbee無線通信模塊和控制電路組成，其三維立體透視圖和實物圖如圖10-25所示。圖10.25激光檢測裝置三維立體圖和實物圖第80頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1、激光掃描檢測裝置（續(xù)）LMS200激光器主要完成180°平面上的二維測距，并將距離信息通過422串口方式發(fā)送出來。Zigbee無線通訊模塊主要用于完成和中繼器之間的通訊。控制電路是該裝置的核心，主要